[發明專利]基于圖像控制點配準的剛性表面接觸過程分析方法與系統

有效

• 申請號: 201811392000.5
• 申請日: 2018-11-21
• 公開（公告）號: CN109559339B
• 公開（公告）日: 2020-07-28
• 發明（設計）人: 殷亞祥;杜世昌;邵益平;王坤;奚立峰
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06T7/33
• 分類號: G06T7/33;G06T3/00
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 莊文莉

本發明提供了一種基于圖像控制點配準的剛性表面接觸過程分析方法及系統，首先通過三維高分辨率表面形貌測量技術測量零件表面得到三維高密度點云數據，然后利用MATLAB將其轉化為灰度圖像。通過提取圖像上的缸孔、螺紋孔等特征獲得特征點坐標，利用裝配關系獲得特征點坐標對應關系，求得仿射變換矩陣。最后利用仿射矩陣將兩幅圖變換到同一坐標系下并求出相同坐標位置的法向距離，獲得初始面差圖像。通過逐步減小二者法向距離可以分析兩表面接觸過程接觸點的變化情況。本發明的接觸分析方法，能夠對零件面接觸全局進行分析，計算效率高，避免了有限元方法的計算時間長、分析面積小的缺點。

技術領域

本發明涉及配合表面接觸分析和圖像處理技術領域，具體地，涉及基于圖像控制點配準的剛性表面接觸過程分析方法。尤其是采用專利文獻CN103544694A方法生成能夠反映零件整體表面形貌的灰度圖像，提取相互配合的兩表面的特征點，通過特征點點進行圖像配準，獲得兩表面初始接觸面差，并以圖像形式展示面差逐漸縮小的接觸過程。

背景技術

機械結合面間的接觸行為在很大程度上影響著機械系統的摩擦磨損、配合性質、傳動精度、密封性等性能，并直接影響機器的使用性能與壽命等特性。隨著零件表面形貌檢測技術的不斷進步，研究者們發現當放大到一定尺度時任何表面都是粗糙不平的，任何兩個機械加工表面的接觸從微觀尺度看都是粗糙表面上一系列微凸體之間的接觸，具有接觸的不均勻性。

傳統的表面接觸問題多采用有限元方法進行仿真計算。現有技術中，王立華在論文“機械結合面微觀接觸模型及接觸特性研究”(《機械設計與研究》2015年第31卷第4期，69-74頁)中基于ANSYS有限元軟件對由掃描顯微鏡測量的1μm²表面形貌進行接觸分析，得到了接觸面積與接觸載荷之間的關系曲線。由于有限元方法計算時間長，效率低，只能截取零件表面一小塊面積進行分析，難以獲得整個工件表面的接觸特性。

專利文獻WO2008070746A2名稱為“SYSTEM AND METHOD FOR SHIFTING PHASE INA MULTI-WAVELENGTH INTERFEROMETRIC IMAGING SYSTEM”，提出的三維高分辨率表面形貌測量技術能夠對零件表面形貌進行整體檢測，能夠生成反映零件整體表面形貌的三維高密度點云數據，該數據為X、Y、Z三維坐標格式，以及彩色編碼的三維表面形貌圖像。專利文獻CN103544694A名稱為“零件表面形貌三維高密度點云數據轉化為灰度圖像的方法”，提出了把測量點云轉化為灰度圖像的方法，可以對表面紋理進行表征分析。然而，這些方法僅對一個面進行分析，難以獲得兩個工件表面接觸時實際接觸面積與接觸過程。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種基于圖像控制點配準的剛性表面接觸過程分析方法。

根據本發明提供的一種基于圖像控制點配準的剛性表面接觸過程分析方法，通過將測量得到的兩表面點云數據轉化為灰度圖像，通過圖像配準計算兩表面面差，從而間接進行接觸過程分析，其中，所述面差圖像，即以圖像形式表達兩表面之間距離，圖像灰度值與兩表面距離成正比。

根據本發明提供的一種基于圖像控制點配準的剛性表面接觸過程分析方法，包括：

第一步：采用對測量表面點云數據進行處理，生成能夠反映兩配合表面形貌的灰度圖像與二值圖像；

第二步：對兩表面二值圖像進行區域標號，從而提取特征；

第三步：根據兩表面實際裝配要求對兩表面圖像進行特征配對，得到配對的特征點；

第四步：進行控制點配準；根據配對的特征點，以最小化配對點變換誤差平方和為目標，通過配對特征點求解仿射變換矩陣；

第五步：根據所述仿射變換矩陣，求解面差圖像并分析接觸過程。

優選地，對兩表面二值圖像采用泛洪填充算法進行區域標號。